JP2005025868A - 光学ヘッド装置および光情報記録再生装置 - Google Patents
光学ヘッド装置および光情報記録再生装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】本発明は、表面プラズモンを効率よく利用して、近接場プローブ部分から高効率に近接場光を発生させることができる構成の光学ヘッド装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板１１に形成された平面（例えば上面）に金属膜１２を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜１２に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜１２上に周期的な微細構造１３を持つことを特徴としており、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板１１に形成された平面（例えば上面）に金属膜１２を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜１２に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜１２上に周期的な微細構造１３を持つことを特徴としており、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン効果を用い、高効率で近接場光を発生させる光学ヘッド装置、および、その光学ヘッド装置を用いて超高密度でデータの記録・再生を行う光情報記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オーディオ及びビデオ動画像ファイル、テキストファイルなどのような多様なタイプの情報が組み合わされたマルチメディア時代の発展により、大容量の情報を迅速に処理し格納する大容量の情報の記録及び格納媒体が必須である。今後、更に普及されると予想される高鮮明（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ）な動画像とＶＯＤ（Ｖｉｄｅｏ−Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ ）のような双方向性画像通信が実現されると、必要とされる情報記録媒体及び格納媒体の容量は更に増大することになる。このような状況により、現在、多くの記録及び再生方式が提案されているが、このようなデータの記録・再生方法の一つとして、光を用いて記録媒体に記録、再生する方法がある。
【０００３】
光を用いた記録方法の代表的な例としては、特定の高分子材料に所定の光を照射してその分子構造を変化させることによる局所的な屈折率の変化を用いるもの、一般に希土類金属と遷移金属からなるアモルファス合金薄膜を所定の磁界中で光を照射し、局所的にキュリー点または補償点以上に加熱することにより局所的な磁化方向を変化させるもの、レーザー光照射により物質を融点以上に加熱し、その後、急冷することによりアモルファス相が、結晶化転移点以上の温度から徐冷することにより結晶相が得られることにより、結晶・アモルファス間を可逆的に構造変化させるものなどがある。しかし、これらの方法ではレーザー光をレンズ光学系で集光したものを記録媒体に照射するため、このレーザー光のスポット径が記録マークの大きさを決定する重要なパラメータになっている。即ち、レーザー光のスポットの大きさを小さくすればするほど、光記録媒体に多くの情報を記録することができ、高記録密度化することができる。このためには、レーザー光の波長を短くし、光ピックアップ（光学ヘッド装置）の対物レンズの開口数（ＮＡ）を増加させれば良い。
【０００４】
しかし、レーザー光の波長を短かくし、対物レンズの開口数を増加させて低減可能なレーザー光のスポットの大きさは、該レーザー光の波長程度までである。例えばレーザー光の波長を短かくするため、現在、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）の光源として用いられる赤色半導体レーザ（〜６６０ｎｍ）に代わって、青色半導体レーザ（〜４００ｎｍ）を前記ＤＶＤの光源に用いると、前記ＤＶＤの単位面積当たりの記録可能な情報量は、赤色半導体レーザを用いた場合の記録媒体の情報量に比べて、約２．５倍ほど向上させることができる。しかしこのような方法では、光のスポット径は光の回折限界により制限され、記録媒体の記録密度を向上するには限界がある。
【０００５】
従って、前記したような問題点に鑑みて、テラバイト（ＴＢ，ｔｅｒａｂｙｔｅ）級の情報量を処理する際の、従来技術とは全く異なる原理に基づく技術として、近接場光学又はボリュームホログラム（Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）、光化学ホールバーニング（ｐｈｏｔｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ ｈｏｌｅ ｂｕｒｎｉｎｇ）、３次元光記録などのような超高密度記録方式が提案されている。しかし、前記ボリュームホログラム及び光化学ホールバーニングにおいては、記録媒体の使用環境に大きな制約があり、実用化し難いという欠点があった。
【０００６】
一般に、光の回折理論より、光集束スポットの大きさ（長径）は、光源波長及びレンズの開口数（ＮＡ）により決定され、前記光集束スポットの大きさの低減程度により、記録媒体の記録密度の上限が決定される。さらに、光の回折現象は、レンズを用いて光のビームの大きさを小さくするほど、ビームが広くなる性質を有するもので、これを数式に示すと、
θ〜λ／ｄ ・・・（ｉ）
となる。式中、θは回折角を表し、ｄはビームの直径を表し、λは光の波長を表す。従って、レンズを利用してビームの大きさを小さくするほど、回折角は大きくなり、ビームの大きさを所定値以下に低減することはできない。
【０００７】
光記録媒体の記録密度の限界は、
ｄ〜１．２２λ／ＮＡ ・・・（ｉｉ）
と近似的に表される光の回折理論により決定される。ここでＮＡは対物レンズの開口数を表す。即ち、レーザー光の波長（λ）が短いほど、且つ、レンズの開口数（ＮＡ）が大きくなるほど、集光されるビームの大きさは小さくなり、記録媒体の記録面密度は、スポットの大きさの自乗に反比例して増大し、光の波動性による回折現象により、１ビット当たり記録及び再生可能な情報の最小の大きさはほぼ光の波長程度になる。従って、このような従来の技術においては、光の波長を短くし、開口数が大きいレンズを用いて集束光のスポットの大きさを小さくし、記録密度を増大させる方法が用いられ、このような方法により得られる記録密度は、２０〜３０Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ が限界になると予想される。即ち、従来のシステムでは、光を電磁気波として利用するため、記録密度を向上させるとき、回折限界に伴う制約が避けられないという問題点があった。
【０００８】
そこで、このような回折限界を克服するため、近接場領域（物質の表面から光波長以下の距離）の近接場に存在する光を記録媒体への光源として用いた方法が提案されている。すなわち、光の波長よりも小さい開口から発生する近接場光は原則的に放射されないので、この近接場光を開口付近に位置した材料と相互作用させることを用いて、記録媒体への情報の記録及び再生を行うことにより、回折限界を克服し、従来の光記録の記録密度を飛躍的に向上できる可能性がある。
【０００９】
これらの課題に対して、平面アレイ型プローブが提案されている（特許文献１，２参照）。これはシリコン基板を異方性エッチングする事により同一基板上に微小開口をアレイ状に作製している。したがって、１つの素子にプローブが多数個あることになり、素子自体の掃引速度はそれほど高速である必要はない。碁盤目状に並んだプローブに対し記録媒体は回転するように配置され、２次元平面上に配置されたプローブはそれぞれ記録媒体上の異なった点を通過することになる。
【００１０】
また、これらの平面開口プローブは、Ｓｉ基板を異方性エッチングにより掘り込むことで微小開口を作製していた。この場合、レーザー光がプローブを通過する部分は空洞であり、より高効率な光出力（すなわちより高速な光書き込み、読み出しをするため）が必要となったときに、この空洞部分を光の閉込め効果の高い屈折率の高い物質で充填する必要があった。また、近接場光を効率よく発生させるためにピラミッド状のシリコンが形成されたプローブが提案されている（特許文献３参照）。この発明では、ガラス基板上にピラミッド状のシリコン突起を有する近接場光プローブが提案されている。このピラミッド状のシリコン突起はＫＯＨ及びＩＰＡ（イソプロピルアルコール）からなるエッチング液によりウエットエッチングにより形成されている。
【００１１】
また、近接場光を出射する近接場光プローブの構造において、透明な基板上に高屈折率材料からなる円錐台状の突起が形成されていると共に、近接場光プローブの製造方法において、上記高屈折率材料からなる円錘台状の突起をドライエッチングにより形成した近接場光プローブが提案されている（特許文献４参照）。この近接場光プローブでは、寸法制御性が良く、また屈折率を高くしているため、微小開口から出射される光等の到達性に優れている。
【００１２】
さらに、近接場光の発生効率をさらに上げるために、表面プラズモンを利用した情報記録再生装置が提案されている（特許文献５参照）。これは三角プリズムの底面に全反射面を形成し、その全反射面に近接場発生用の微小開口を設けたマスク面が設けられているものである。また、光導波路や光ファイバの端面を斜めに切断し、その端面に金属膜を成膜し、この金属膜にピンホールを形成し、金属膜での表面プラズモンを利用することで、ピンホールの透過率を向上させたもの（特許文献６参照）や、微小金属を埋め込んだ平坦な基板に光を入射し、局在プラズモンを励起して微小体近傍の光電場を局所的に増強した光を用い、微小領域に情報の記録再生を行う方法（特許文献７参照）などが提案されている。また、非特許文献１（個々の表面欠陥による表面プラズモン散乱の実験的研究）には、各種表面プラズモンを表面構造により制御するプラズモンミラー、プラズモンレンズの例が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】
特許３０２３０８５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９１２３８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２０８６７２号公報
【特許文献４】
特開２００２−３４０７７３号公報
【特許文献５】
特開２０００−１３２８６１号公報
【特許文献６】
特開２０００−１７３０９３号公報
【特許文献７】
特開２００１−２５６６６４号公報
【非特許文献１】
Ｉ．Ｉ．Ｓｍｏｌｙａｎｉｎｏｖ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｌａｓｍｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｅｃｔｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．３，ｐｐ．１６０１−１６１１（１９９７）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
これまであげたいずれの方式においても、近接場光を効率良く発生させるために、微小開口部を光屈折率媒体で作製したり、表面プラズモンを利用し、近接場光を効率良く発生させているが、より高密度かつ高速に情報を読み書きしたり、ナノ光加工や光通信等に近接場光を利用するためには、より高効率に近接場光を発生させるプローブを実現する必要がある。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、表面プラズモンを効率よく利用して、近接場プローブ部分から高効率に近接場光を発生させることができる構成の光学ヘッド装置を提供することを目的とする。また、その光学ヘッド装置を用いることにより、高効率かつ高速に情報の記録・再生が可能な光情報記録再生装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、本発明に係る光学ヘッド装置は、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、金属膜上に周期的な微細構造を持つことを特徴とする（請求項１）。
そして、本発明に係る光学ヘッド装置においては、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造がプラズモンの集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋ、プラズモンの入射方向と原点とｎ番目の微細構造のなす角をαｎとしたとき、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする（請求項２）。
また、本発明に係る光学ヘッド装置においては、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
かつ
αｎ＜４５度
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする（請求項３）。
さらに本発明に係る光学ヘッド装置においては、前記金属膜が、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属からなることを特徴とする（請求項４）。
【００１７】
本発明は、記録媒体に近接して保持した光学ヘッド装置より発生する近接場光により所望の情報を前記記録媒体に記録または再生する光情報記録再生装置において、前記光学ヘッド装置に、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置を用いたことを特徴とする。
そして、本発明に係る光情報記録再生装置においては、光源として、半導体レーザーを用いることを特徴とする（請求項６）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記光学ヘッド装置に設けた金属膜に入射する光の偏光方向が、該金属膜に垂直であることを特徴とする（請求項７）。
さらに本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の基板がプラスチックまたは高分子化合物からなることを特徴とする（請求項８）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の記録層に、ＡｇＩｎＳｂＴｅからなる記録層を用いたことを特徴とする（請求項９）。
さらに本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の最表面に、ダイヤモンドライクカーボンが形成されていることを特徴とする（請求項１０）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の最表面にＳｉＮが形成されていることを特徴とする（請求項１１）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作および作用を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明に係る光学ヘッド装置について説明する。図１は本発明の一実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。この光学ヘッド装置においては、光学ガラス等の透明な材料からなり直方体状で光学的に平坦な基板１１の平面（図では上面）に金属膜１２が形成されている。基板１１としては石英やポリカーボネート等を用いることができる。また、金属膜１２としては銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を用いることができる。この金属膜１２上には周期的な微細構造１３が形成されており、この周期的な微細構造は、小さな窪みでも盛り上がりでもよく、収束イオンビームを用いたり、原子間力顕微鏡、あるいはトンネル顕微鏡などで加工することができる。尚、ＡｇやＡｕの金属膜を形成する時、基板１１が石英系の場合は、クロム（Ｃｒ）の下地膜を数ｎｍ程度付けると密着度が向上する。
【００１９】
光学ヘッド装置への入射光は、基板１１の金属膜１２が形成されていない側から特定の入射角度で入射される。金属膜１２に対してｐ偏光で、入射角が一定の条件を満たす場合、金属膜１２と外側の空間の界面に、表面プラズモンを励起することができる。例えば金属膜１２の材質をＡｇとし、入射光の真空中における波長λを６３３ｎｍとすると、金属膜１２の屈折率ｎは、０．０６５−４．０ｉとなる。金属膜１２の上面は空気であり、その屈折率は約１．０である。この場合、金属膜１２の表面に励起される表面プラズモンの伝播定数（波数）ｋは、入射光の伝播定数ｋ０を、
ｋ０＝２π／λ
として、
ｋ＝ｎ／√（ｎ２＋１）×ｋ０ ・・・（１）
で与えられる。
【００２０】
ここで、金属膜１２の材質をＡｇとし、基板１１を石英としてその屈折率ｎｆを１．４５７とすると、角度θは約４５．１度で表面プラズモンが励起できる。この方法は、いわゆるクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置による表面プラズモンの励起となっている。角度θは、Ａｇの他に、例えばＡｕでは４６．２度、Ａｌでは４３．９度となる。今回はＡｇの薄膜を８０ｎｍ蒸着したものを用いた。
【００２１】
発生した表面プラズモンは、金属膜１２に形成した周期的な微細構造１３によって散乱されるが、適切な構造を形成するとある焦点距離を有する点にプラズモンが集中するプラズモンレンズを形成することが可能である。そしてこの集中点に散乱源を配置することにより、プラズモンは近接場光に変換され、従来よりも高効率な近接場光プローブとして利用することができる。
【００２２】
図２に上記の周期的な微細構造の配置例を示す。ここで集光点を原点とし、半径Ｒ上に球形状の微細構造１３が円弧状に配置されている。ここでαｎはｙ軸と半径Ｒ上にあるｎ番目の球形状の微細構造とのなす角度である。図２において、ｙ軸＋∞方向から表面プラズモンが伝播してきた時、各球形状の微細構造で散乱されたプラズモンを原点上で同位相で重ね合わせることにより、通常よりも増強されたプラズモンを得ることができる。この原点にさらに散乱源となる微細構造を配置することでさらに増強された近接場光を得ることができる。
【００２３】
ここで、周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に下記の（２）式の関係で配置されている時、プラズモンが集中するプラズモンレンズを形成することができる。
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ ・・・（２）
各入射波長に対する上記ｎ番面の微細構造の配置例を下記の表１に示した。表１にはｙ軸に対して左側半分の微細構造の配置を示したが、図２に図示されているように、ｙ軸右側に対してもｙ軸対称な位置に配置される。
尚、ここで示した例では、半径Ｒは５μｍと設定した。この半径Ｒは、プラズモンの伝播長以下に設定する必要がある。ここでの伝播長は９．１μｍであったため、半径は５μｍとした。また、ｎ番目の微細構造とｙ軸とのなす角αは、図２に示すように、４５度以下（αｎ＜４５度）であることが望ましい。
【００２４】
【表１】
【００２５】
次に本発明に係る光学ヘッド装置の別の実施例について説明する。
図３は本発明の別の実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。この光学ヘッド装置においては、光学ガラス等の透明な材料からなり直方体状で光学的に平坦な基板３１の平面（図では右側面）に金属膜３２が形成されている。基板３１としては図１に示した実施例と同様に石英やポリカーボネート等を用いることができる。また、金属膜３２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属を用いることができ、この金属膜３２上に周期的な微細構造３３が形成されている。尚、周期的な微細構造の詳細な構造は図２に示した実施例と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００２６】
次に本発明の光学ヘッド装置を用いた光学情報記録再生装置について説明する。図４は本発明の一実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図であり、この光学情報記録再生装置においては、図１に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２から近接場光を記録媒体４７に照射する。光学ヘッド装置４２はスライダ状に形成されホルダ４３に支持され、回転する記録媒体４７上を走引される。記録媒体４７は表面保護層４４、記録層４５、下地層４６を備え、表面保護層４４によりスライダ部との磨耗に耐えるように構成されている。
【００２７】
図４において、レーザー光源４１から照射された光はコリメータレンズ（図示せず）により平行光束に変換され図１に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２に入射する。この時、光学ヘッド装置４２に形成された金属膜（図１の金属膜１２）に対してｐ偏光になるように入射光を制御する必要がある。光学ヘッド装置４２に入射した光は金属膜界面で表面プラズモンを発生し、光学ヘッド装置４２に形成された周期的な微細構造により、プラズモンを既定の焦点に集中させ、光学ヘッド装置４２より近接場光を発生させる。光学ヘッド装置４２と記録媒体４７が照射光の波長より十分近接している時、発生した近接場光は記録媒体４７に結合し、記録層４５に記録マークを形成する。
【００２８】
また、再生の場合は、記録媒体４７を透過する近接場光成分が対物レンズ４８により平行光束に変換され、結像レンズ４９で光検出器５０上にスポットを結ぶ。この光検出器５０上の光強度の明暗により、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。また、光学ヘッド装置４２から反射してきた光束を光検出器５１で検出することで、発生した近接場光の記録媒体４７の記録マークと未記録部分との反射率の差を検出することでも、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。
【００２９】
前述したように記録媒体４７は表面保護層４４、記録層４５、記録層の下基板側に下地層４６を備え、表面保護層４４により光学ヘッド装置４２との磨耗に耐えるように構成されている。基板としては、ガラス、プラスチック又は高分子化合物などが使用可能であり、例えばポリカーボネートを射出成形してディスク基板を作製することが可能である。基板上の記録媒体の最表面は近接場光プローブを構成する光学ヘッド装置４２と波長以下の距離に近づいて高速に走引するため、記録層４５の磨耗を防ぐための保護層４４が必要である。この保護層４４としては、厚みが薄く、光の吸収がほとんどない材料が望ましい。
【００３０】
本発明では上記条件を満足する材料として、記録媒体４７の最表面の保護層４４にダイアモンドライクカーボンからなる保護膜を用いた。この保護膜の形成はスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜装置で可能である。本実施例では最表面保護膜としてダイヤモンドライクカーボンをＣＶＤ法により作製した。また、保護層４４としてはＳｉＮを使用することも可能である。このＳｉＮ保護層もスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ法などの成膜装置で形成することが可能である。保護層４４としては、近接場光はプローブからの染み出しが波長以下であるため、記録層４５までの距離をできるだけ近づけるために、厚みが薄く、光の吸収がほとんどない材料が望ましい。
【００３１】
記録層４５としては、公知の各種記録材料を用いて形成することができるが、とくに四元系相変化光記録材料（例えばＡｇＩｎＳｂＴｅ系）が好ましい。記録層４５の形成方法は、それぞれの材料に応じた公知の形成方法を採用することができる。また、記録層４５がＡｇＩｎＳｂＴｅのように蒸発性を持つ場合には、その上に、またはその上下に保護層、例えば、ＺｎＳ・ＳｉＯ２層を設けることが好ましい。この保護層は記録層の酸化防止、熱伝導性の向上、記録時における記録材料の蒸発防止などの役割を果たしている。基板４７としては、例えばプラスチック又は高分子化合物、化学強化ガラス（アルミノシリケート系ガラスなど）、石英ガラスなどがあり、その厚みは通常０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍである。
【００３２】
図４中に示したレーザー光源４１は直線偏光であることが好ましく、直線偏光は偏光板を挿入してもよいが、レーザーダイオード（ＬＤ：半導体レーザー）などはそれ自体直線偏光をもっているので、そのまま、または偏光板と組合せて直線偏光を発生させることができる。
【００３３】
次に図５は本発明の別の実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図であり、この光学情報記録再生装置においては、図３に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２’を用いて近接場光を記録媒体４７に照射する。尚、図５において図４と同符号を付けたものは同様の構成部材である。光学ヘッド装置４２’はスライダ状に形成されホルダ４３に支持され、回転する記録媒体４７上を走引される。記録媒体４７は、前述したように表面保護層４４、記録層４５、下地層４６を備え、表面保護層４４によりスライダ部との磨耗に耐えるように構成されている。
【００３４】
図５において、レーザー光源４１から照射された光はコリメータレンズ（図示せず）により平行光束に変換され図３に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２’に入射する。この時、光学ヘッド装置４２’に形成された金属膜（図３の金属膜３２）に対してｐ偏光になるように入射光を制御する必要がある。光学ヘッド装置４２’に入射した光は金属膜界面で表面プラズモンを発生し、光学ヘッド装置４２’に形成された周期的な微細構造により、プラズモンを既定の焦点に集中させ、光学ヘッド装置４２’より近接場光を発生させる。光学ヘッド装置４２’と記録媒体４７が照射光の波長より十分近接している時、発生した近接場光は記録媒体４７に結合し、記録層４５に記録マークを形成する。
【００３５】
また、再生の場合は、記録媒体４７を透過する近接場光成分が対物レンズ４８により平行光束に変換され、結像レンズ４９で光検出器５０上にスポットを結ぶ。この光検出器５０上の光強度の明暗により、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。また、光学ヘッド装置４２’から反射してきた光束をミラー５２を介して光検出器５１で検出することで、発生した近接場光の記録媒体４７の記録マークと未記録部分との反射率の差を検出することでも、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面（上面または下面、あるいは側面などの端面）に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持つため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３７】
請求項２に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造がプラズモンの集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋ、プラズモンの入射方向と原点とｎ番目の微細構造のなす角をαｎとしたとき、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
なる関係を満たす位置に配置されているため、散乱されたプラズモンの位相を効率よく集光点で揃えることができるため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３８】
請求項３に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
かつ、
αｎ＜４５度
なる関係を満たす位置に配置されてされているため、散乱されたプラズモンの位相を効率よく集光点で揃えることができるため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３９】
請求項４に係る光学ヘッド装置では、請求項１〜３のいずれかの構成及び効果に加え、前記金属膜がＡｇ、Ａｕ、Ａｌからなるため、安定かつ高効率に表面プラズモンを発生でき、その結果、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００４０】
請求項５に係る光情報記録再生装置では、記録媒体に近接して保持した光学ヘッド装置より発生する近接場光により所望の情報を前記記録媒体に記録または再生する光情報記録再生装置において、前記光学ヘッド装置に、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置を用いたことにより、光利用効率が高く、良好な記録マークの形成ができ、高Ｓ／Ｎ比での信号の再生が可能になる。
また、請求項６に係る光情報記録装置では、請求項５の構成に加え、光源として、半導体レーザーを用いることにより、偏光子等を用いることなく、直線偏光を出射することが可能であるため、安価に、微細な記録マークを高密度、高効率かつ安定に記録・再生することができる。
【００４１】
請求項７に係る光情報記録再生装置では、請求項５または６の構成に加え、前記光学ヘッド装置に設けた金属膜に入射する光の偏光方向が、該金属膜に垂直であることにより、高効率にプラズモンを発生可能であり、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができ、光利用効率が高く、良好な記録マークの形成ができ、高Ｓ／Ｎ比での信号の再生が可能になる。
また、請求項８に係る光情報記録再生装置では、請求項５，６または７の構成に加え、前記記録媒体の基板がプラスチックまたは高分子化合物からなることにより、大量生産可能であり、より安価に光情報記録装置を構成することが可能になる。
【００４２】
請求項９に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜８のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の記録層に、ＡｇＩｎＳｂＴｅからなる記録層を用いたことにより、良好な微小記録マークを安定に形成することが可能になる。
また、請求項１０に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜９のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の最表面に、ダイヤモンドライクカーボンが形成されていることにより、表面の磨耗に強く高信頼性で情報の記録・再生を行うことが可能になる。
さらに請求項１１に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜１０のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の最表面にＳｉＮが形成されていることにより、表面の磨耗に強く高信頼性で情報の記録・再生を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。
【図２】図１に示す光学ヘッド装置の金属膜に形成される微細構造の配置例を示す図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。
【図４】本発明の一実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１１，３１：基板
１２，３２：金属膜
１３，３３：周期的な微細構造
４１：レーザー光源
４２，４２’：光学ヘッド装置
４３：ホルダ
４４：保護層
４５：記録層
４６：下地層
４７：記録媒体
４８：対物レンズ
４９：結像レンズ
５０：光検出器
５１：光検出器
５２：ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン効果を用い、高効率で近接場光を発生させる光学ヘッド装置、および、その光学ヘッド装置を用いて超高密度でデータの記録・再生を行う光情報記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オーディオ及びビデオ動画像ファイル、テキストファイルなどのような多様なタイプの情報が組み合わされたマルチメディア時代の発展により、大容量の情報を迅速に処理し格納する大容量の情報の記録及び格納媒体が必須である。今後、更に普及されると予想される高鮮明（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ）な動画像とＶＯＤ（Ｖｉｄｅｏ−Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ ）のような双方向性画像通信が実現されると、必要とされる情報記録媒体及び格納媒体の容量は更に増大することになる。このような状況により、現在、多くの記録及び再生方式が提案されているが、このようなデータの記録・再生方法の一つとして、光を用いて記録媒体に記録、再生する方法がある。
【０００３】
光を用いた記録方法の代表的な例としては、特定の高分子材料に所定の光を照射してその分子構造を変化させることによる局所的な屈折率の変化を用いるもの、一般に希土類金属と遷移金属からなるアモルファス合金薄膜を所定の磁界中で光を照射し、局所的にキュリー点または補償点以上に加熱することにより局所的な磁化方向を変化させるもの、レーザー光照射により物質を融点以上に加熱し、その後、急冷することによりアモルファス相が、結晶化転移点以上の温度から徐冷することにより結晶相が得られることにより、結晶・アモルファス間を可逆的に構造変化させるものなどがある。しかし、これらの方法ではレーザー光をレンズ光学系で集光したものを記録媒体に照射するため、このレーザー光のスポット径が記録マークの大きさを決定する重要なパラメータになっている。即ち、レーザー光のスポットの大きさを小さくすればするほど、光記録媒体に多くの情報を記録することができ、高記録密度化することができる。このためには、レーザー光の波長を短くし、光ピックアップ（光学ヘッド装置）の対物レンズの開口数（ＮＡ）を増加させれば良い。
【０００４】
しかし、レーザー光の波長を短かくし、対物レンズの開口数を増加させて低減可能なレーザー光のスポットの大きさは、該レーザー光の波長程度までである。例えばレーザー光の波長を短かくするため、現在、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）の光源として用いられる赤色半導体レーザ（〜６６０ｎｍ）に代わって、青色半導体レーザ（〜４００ｎｍ）を前記ＤＶＤの光源に用いると、前記ＤＶＤの単位面積当たりの記録可能な情報量は、赤色半導体レーザを用いた場合の記録媒体の情報量に比べて、約２．５倍ほど向上させることができる。しかしこのような方法では、光のスポット径は光の回折限界により制限され、記録媒体の記録密度を向上するには限界がある。
【０００５】
従って、前記したような問題点に鑑みて、テラバイト（ＴＢ，ｔｅｒａｂｙｔｅ）級の情報量を処理する際の、従来技術とは全く異なる原理に基づく技術として、近接場光学又はボリュームホログラム（Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）、光化学ホールバーニング（ｐｈｏｔｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ ｈｏｌｅ ｂｕｒｎｉｎｇ）、３次元光記録などのような超高密度記録方式が提案されている。しかし、前記ボリュームホログラム及び光化学ホールバーニングにおいては、記録媒体の使用環境に大きな制約があり、実用化し難いという欠点があった。
【０００６】
一般に、光の回折理論より、光集束スポットの大きさ（長径）は、光源波長及びレンズの開口数（ＮＡ）により決定され、前記光集束スポットの大きさの低減程度により、記録媒体の記録密度の上限が決定される。さらに、光の回折現象は、レンズを用いて光のビームの大きさを小さくするほど、ビームが広くなる性質を有するもので、これを数式に示すと、
θ〜λ／ｄ ・・・（ｉ）
となる。式中、θは回折角を表し、ｄはビームの直径を表し、λは光の波長を表す。従って、レンズを利用してビームの大きさを小さくするほど、回折角は大きくなり、ビームの大きさを所定値以下に低減することはできない。
【０００７】
光記録媒体の記録密度の限界は、
ｄ〜１．２２λ／ＮＡ ・・・（ｉｉ）
と近似的に表される光の回折理論により決定される。ここでＮＡは対物レンズの開口数を表す。即ち、レーザー光の波長（λ）が短いほど、且つ、レンズの開口数（ＮＡ）が大きくなるほど、集光されるビームの大きさは小さくなり、記録媒体の記録面密度は、スポットの大きさの自乗に反比例して増大し、光の波動性による回折現象により、１ビット当たり記録及び再生可能な情報の最小の大きさはほぼ光の波長程度になる。従って、このような従来の技術においては、光の波長を短くし、開口数が大きいレンズを用いて集束光のスポットの大きさを小さくし、記録密度を増大させる方法が用いられ、このような方法により得られる記録密度は、２０〜３０Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２ が限界になると予想される。即ち、従来のシステムでは、光を電磁気波として利用するため、記録密度を向上させるとき、回折限界に伴う制約が避けられないという問題点があった。
【０００８】
そこで、このような回折限界を克服するため、近接場領域（物質の表面から光波長以下の距離）の近接場に存在する光を記録媒体への光源として用いた方法が提案されている。すなわち、光の波長よりも小さい開口から発生する近接場光は原則的に放射されないので、この近接場光を開口付近に位置した材料と相互作用させることを用いて、記録媒体への情報の記録及び再生を行うことにより、回折限界を克服し、従来の光記録の記録密度を飛躍的に向上できる可能性がある。
【０００９】
これらの課題に対して、平面アレイ型プローブが提案されている（特許文献１，２参照）。これはシリコン基板を異方性エッチングする事により同一基板上に微小開口をアレイ状に作製している。したがって、１つの素子にプローブが多数個あることになり、素子自体の掃引速度はそれほど高速である必要はない。碁盤目状に並んだプローブに対し記録媒体は回転するように配置され、２次元平面上に配置されたプローブはそれぞれ記録媒体上の異なった点を通過することになる。
【００１０】
また、これらの平面開口プローブは、Ｓｉ基板を異方性エッチングにより掘り込むことで微小開口を作製していた。この場合、レーザー光がプローブを通過する部分は空洞であり、より高効率な光出力（すなわちより高速な光書き込み、読み出しをするため）が必要となったときに、この空洞部分を光の閉込め効果の高い屈折率の高い物質で充填する必要があった。また、近接場光を効率よく発生させるためにピラミッド状のシリコンが形成されたプローブが提案されている（特許文献３参照）。この発明では、ガラス基板上にピラミッド状のシリコン突起を有する近接場光プローブが提案されている。このピラミッド状のシリコン突起はＫＯＨ及びＩＰＡ（イソプロピルアルコール）からなるエッチング液によりウエットエッチングにより形成されている。
【００１１】
また、近接場光を出射する近接場光プローブの構造において、透明な基板上に高屈折率材料からなる円錐台状の突起が形成されていると共に、近接場光プローブの製造方法において、上記高屈折率材料からなる円錘台状の突起をドライエッチングにより形成した近接場光プローブが提案されている（特許文献４参照）。この近接場光プローブでは、寸法制御性が良く、また屈折率を高くしているため、微小開口から出射される光等の到達性に優れている。
【００１２】
さらに、近接場光の発生効率をさらに上げるために、表面プラズモンを利用した情報記録再生装置が提案されている（特許文献５参照）。これは三角プリズムの底面に全反射面を形成し、その全反射面に近接場発生用の微小開口を設けたマスク面が設けられているものである。また、光導波路や光ファイバの端面を斜めに切断し、その端面に金属膜を成膜し、この金属膜にピンホールを形成し、金属膜での表面プラズモンを利用することで、ピンホールの透過率を向上させたもの（特許文献６参照）や、微小金属を埋め込んだ平坦な基板に光を入射し、局在プラズモンを励起して微小体近傍の光電場を局所的に増強した光を用い、微小領域に情報の記録再生を行う方法（特許文献７参照）などが提案されている。また、非特許文献１（個々の表面欠陥による表面プラズモン散乱の実験的研究）には、各種表面プラズモンを表面構造により制御するプラズモンミラー、プラズモンレンズの例が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】
特許３０２３０８５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９１２３８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２０８６７２号公報
【特許文献４】
特開２００２−３４０７７３号公報
【特許文献５】
特開２０００−１３２８６１号公報
【特許文献６】
特開２０００−１７３０９３号公報
【特許文献７】
特開２００１−２５６６６４号公報
【非特許文献１】
Ｉ．Ｉ．Ｓｍｏｌｙａｎｉｎｏｖ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｌａｓｍｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｅｃｔｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．３，ｐｐ．１６０１−１６１１（１９９７）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
これまであげたいずれの方式においても、近接場光を効率良く発生させるために、微小開口部を光屈折率媒体で作製したり、表面プラズモンを利用し、近接場光を効率良く発生させているが、より高密度かつ高速に情報を読み書きしたり、ナノ光加工や光通信等に近接場光を利用するためには、より高効率に近接場光を発生させるプローブを実現する必要がある。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、表面プラズモンを効率よく利用して、近接場プローブ部分から高効率に近接場光を発生させることができる構成の光学ヘッド装置を提供することを目的とする。また、その光学ヘッド装置を用いることにより、高効率かつ高速に情報の記録・再生が可能な光情報記録再生装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、本発明に係る光学ヘッド装置は、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、金属膜上に周期的な微細構造を持つことを特徴とする（請求項１）。
そして、本発明に係る光学ヘッド装置においては、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造がプラズモンの集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋ、プラズモンの入射方向と原点とｎ番目の微細構造のなす角をαｎとしたとき、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする（請求項２）。
また、本発明に係る光学ヘッド装置においては、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
かつ
αｎ＜４５度
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする（請求項３）。
さらに本発明に係る光学ヘッド装置においては、前記金属膜が、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属からなることを特徴とする（請求項４）。
【００１７】
本発明は、記録媒体に近接して保持した光学ヘッド装置より発生する近接場光により所望の情報を前記記録媒体に記録または再生する光情報記録再生装置において、前記光学ヘッド装置に、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置を用いたことを特徴とする。
そして、本発明に係る光情報記録再生装置においては、光源として、半導体レーザーを用いることを特徴とする（請求項６）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記光学ヘッド装置に設けた金属膜に入射する光の偏光方向が、該金属膜に垂直であることを特徴とする（請求項７）。
さらに本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の基板がプラスチックまたは高分子化合物からなることを特徴とする（請求項８）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の記録層に、ＡｇＩｎＳｂＴｅからなる記録層を用いたことを特徴とする（請求項９）。
さらに本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の最表面に、ダイヤモンドライクカーボンが形成されていることを特徴とする（請求項１０）。
また、本発明に係る光情報記録再生装置においては、前記記録媒体の最表面にＳｉＮが形成されていることを特徴とする（請求項１１）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作および作用を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明に係る光学ヘッド装置について説明する。図１は本発明の一実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。この光学ヘッド装置においては、光学ガラス等の透明な材料からなり直方体状で光学的に平坦な基板１１の平面（図では上面）に金属膜１２が形成されている。基板１１としては石英やポリカーボネート等を用いることができる。また、金属膜１２としては銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を用いることができる。この金属膜１２上には周期的な微細構造１３が形成されており、この周期的な微細構造は、小さな窪みでも盛り上がりでもよく、収束イオンビームを用いたり、原子間力顕微鏡、あるいはトンネル顕微鏡などで加工することができる。尚、ＡｇやＡｕの金属膜を形成する時、基板１１が石英系の場合は、クロム（Ｃｒ）の下地膜を数ｎｍ程度付けると密着度が向上する。
【００１９】
光学ヘッド装置への入射光は、基板１１の金属膜１２が形成されていない側から特定の入射角度で入射される。金属膜１２に対してｐ偏光で、入射角が一定の条件を満たす場合、金属膜１２と外側の空間の界面に、表面プラズモンを励起することができる。例えば金属膜１２の材質をＡｇとし、入射光の真空中における波長λを６３３ｎｍとすると、金属膜１２の屈折率ｎは、０．０６５−４．０ｉとなる。金属膜１２の上面は空気であり、その屈折率は約１．０である。この場合、金属膜１２の表面に励起される表面プラズモンの伝播定数（波数）ｋは、入射光の伝播定数ｋ０を、
ｋ０＝２π／λ
として、
ｋ＝ｎ／√（ｎ２＋１）×ｋ０ ・・・（１）
で与えられる。
【００２０】
ここで、金属膜１２の材質をＡｇとし、基板１１を石英としてその屈折率ｎｆを１．４５７とすると、角度θは約４５．１度で表面プラズモンが励起できる。この方法は、いわゆるクレッチマン（Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ）配置による表面プラズモンの励起となっている。角度θは、Ａｇの他に、例えばＡｕでは４６．２度、Ａｌでは４３．９度となる。今回はＡｇの薄膜を８０ｎｍ蒸着したものを用いた。
【００２１】
発生した表面プラズモンは、金属膜１２に形成した周期的な微細構造１３によって散乱されるが、適切な構造を形成するとある焦点距離を有する点にプラズモンが集中するプラズモンレンズを形成することが可能である。そしてこの集中点に散乱源を配置することにより、プラズモンは近接場光に変換され、従来よりも高効率な近接場光プローブとして利用することができる。
【００２２】
図２に上記の周期的な微細構造の配置例を示す。ここで集光点を原点とし、半径Ｒ上に球形状の微細構造１３が円弧状に配置されている。ここでαｎはｙ軸と半径Ｒ上にあるｎ番目の球形状の微細構造とのなす角度である。図２において、ｙ軸＋∞方向から表面プラズモンが伝播してきた時、各球形状の微細構造で散乱されたプラズモンを原点上で同位相で重ね合わせることにより、通常よりも増強されたプラズモンを得ることができる。この原点にさらに散乱源となる微細構造を配置することでさらに増強された近接場光を得ることができる。
【００２３】
ここで、周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に下記の（２）式の関係で配置されている時、プラズモンが集中するプラズモンレンズを形成することができる。
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ ・・・（２）
各入射波長に対する上記ｎ番面の微細構造の配置例を下記の表１に示した。表１にはｙ軸に対して左側半分の微細構造の配置を示したが、図２に図示されているように、ｙ軸右側に対してもｙ軸対称な位置に配置される。
尚、ここで示した例では、半径Ｒは５μｍと設定した。この半径Ｒは、プラズモンの伝播長以下に設定する必要がある。ここでの伝播長は９．１μｍであったため、半径は５μｍとした。また、ｎ番目の微細構造とｙ軸とのなす角αは、図２に示すように、４５度以下（αｎ＜４５度）であることが望ましい。
【００２４】
【表１】
次に本発明に係る光学ヘッド装置の別の実施例について説明する。
図３は本発明の別の実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。この光学ヘッド装置においては、光学ガラス等の透明な材料からなり直方体状で光学的に平坦な基板３１の平面（図では右側面）に金属膜３２が形成されている。基板３１としては図１に示した実施例と同様に石英やポリカーボネート等を用いることができる。また、金属膜３２としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属を用いることができ、この金属膜３２上に周期的な微細構造３３が形成されている。尚、周期的な微細構造の詳細な構造は図２に示した実施例と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００２６】
次に本発明の光学ヘッド装置を用いた光学情報記録再生装置について説明する。図４は本発明の一実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図であり、この光学情報記録再生装置においては、図１に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２から近接場光を記録媒体４７に照射する。光学ヘッド装置４２はスライダ状に形成されホルダ４３に支持され、回転する記録媒体４７上を走引される。記録媒体４７は表面保護層４４、記録層４５、下地層４６を備え、表面保護層４４によりスライダ部との磨耗に耐えるように構成されている。
【００２７】
図４において、レーザー光源４１から照射された光はコリメータレンズ（図示せず）により平行光束に変換され図１に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２に入射する。この時、光学ヘッド装置４２に形成された金属膜（図１の金属膜１２）に対してｐ偏光になるように入射光を制御する必要がある。光学ヘッド装置４２に入射した光は金属膜界面で表面プラズモンを発生し、光学ヘッド装置４２に形成された周期的な微細構造により、プラズモンを既定の焦点に集中させ、光学ヘッド装置４２より近接場光を発生させる。光学ヘッド装置４２と記録媒体４７が照射光の波長より十分近接している時、発生した近接場光は記録媒体４７に結合し、記録層４５に記録マークを形成する。
【００２８】
また、再生の場合は、記録媒体４７を透過する近接場光成分が対物レンズ４８により平行光束に変換され、結像レンズ４９で光検出器５０上にスポットを結ぶ。この光検出器５０上の光強度の明暗により、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。また、光学ヘッド装置４２から反射してきた光束を光検出器５１で検出することで、発生した近接場光の記録媒体４７の記録マークと未記録部分との反射率の差を検出することでも、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。
【００２９】
前述したように記録媒体４７は表面保護層４４、記録層４５、記録層の下基板側に下地層４６を備え、表面保護層４４により光学ヘッド装置４２との磨耗に耐えるように構成されている。基板としては、ガラス、プラスチック又は高分子化合物などが使用可能であり、例えばポリカーボネートを射出成形してディスク基板を作製することが可能である。基板上の記録媒体の最表面は近接場光プローブを構成する光学ヘッド装置４２と波長以下の距離に近づいて高速に走引するため、記録層４５の磨耗を防ぐための保護層４４が必要である。この保護層４４としては、厚みが薄く、光の吸収がほとんどない材料が望ましい。
【００３０】
本発明では上記条件を満足する材料として、記録媒体４７の最表面の保護層４４にダイアモンドライクカーボンからなる保護膜を用いた。この保護膜の形成はスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜装置で可能である。本実施例では最表面保護膜としてダイヤモンドライクカーボンをＣＶＤ法により作製した。また、保護層４４としてはＳｉＮを使用することも可能である。このＳｉＮ保護層もスパッタリング、イオンビームスパッタリングやＣＶＤ法などの成膜装置で形成することが可能である。保護層４４としては、近接場光はプローブからの染み出しが波長以下であるため、記録層４５までの距離をできるだけ近づけるために、厚みが薄く、光の吸収がほとんどない材料が望ましい。
【００３１】
記録層４５としては、公知の各種記録材料を用いて形成することができるが、とくに四元系相変化光記録材料（例えばＡｇＩｎＳｂＴｅ系）が好ましい。記録層４５の形成方法は、それぞれの材料に応じた公知の形成方法を採用することができる。また、記録層４５がＡｇＩｎＳｂＴｅのように蒸発性を持つ場合には、その上に、またはその上下に保護層、例えば、ＺｎＳ・ＳｉＯ２層を設けることが好ましい。この保護層は記録層の酸化防止、熱伝導性の向上、記録時における記録材料の蒸発防止などの役割を果たしている。基板４７としては、例えばプラスチック又は高分子化合物、化学強化ガラス（アルミノシリケート系ガラスなど）、石英ガラスなどがあり、その厚みは通常０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは０．６〜１．２ｍｍである。
【００３２】
図４中に示したレーザー光源４１は直線偏光であることが好ましく、直線偏光は偏光板を挿入してもよいが、レーザーダイオード（ＬＤ：半導体レーザー）などはそれ自体直線偏光をもっているので、そのまま、または偏光板と組合せて直線偏光を発生させることができる。
【００３３】
次に図５は本発明の別の実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図であり、この光学情報記録再生装置においては、図３に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２’を用いて近接場光を記録媒体４７に照射する。尚、図５において図４と同符号を付けたものは同様の構成部材である。光学ヘッド装置４２’はスライダ状に形成されホルダ４３に支持され、回転する記録媒体４７上を走引される。記録媒体４７は、前述したように表面保護層４４、記録層４５、下地層４６を備え、表面保護層４４によりスライダ部との磨耗に耐えるように構成されている。
【００３４】
図５において、レーザー光源４１から照射された光はコリメータレンズ（図示せず）により平行光束に変換され図３に示した構造を持つ光学ヘッド装置４２’に入射する。この時、光学ヘッド装置４２’に形成された金属膜（図３の金属膜３２）に対してｐ偏光になるように入射光を制御する必要がある。光学ヘッド装置４２’に入射した光は金属膜界面で表面プラズモンを発生し、光学ヘッド装置４２’に形成された周期的な微細構造により、プラズモンを既定の焦点に集中させ、光学ヘッド装置４２’より近接場光を発生させる。光学ヘッド装置４２’と記録媒体４７が照射光の波長より十分近接している時、発生した近接場光は記録媒体４７に結合し、記録層４５に記録マークを形成する。
【００３５】
また、再生の場合は、記録媒体４７を透過する近接場光成分が対物レンズ４８により平行光束に変換され、結像レンズ４９で光検出器５０上にスポットを結ぶ。この光検出器５０上の光強度の明暗により、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。また、光学ヘッド装置４２’から反射してきた光束をミラー５２を介して光検出器５１で検出することで、発生した近接場光の記録媒体４７の記録マークと未記録部分との反射率の差を検出することでも、記録媒体４７上に記録された情報を再生することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面（上面または下面、あるいは側面などの端面）に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持つため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３７】
請求項２に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造がプラズモンの集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋ、プラズモンの入射方向と原点とｎ番目の微細構造のなす角をαｎとしたとき、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
なる関係を満たす位置に配置されているため、散乱されたプラズモンの位相を効率よく集光点で揃えることができるため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３８】
請求項３に係る光学ヘッド装置では、光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
かつ、
αｎ＜４５度
なる関係を満たす位置に配置されてされているため、散乱されたプラズモンの位相を効率よく集光点で揃えることができるため、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００３９】
請求項４に係る光学ヘッド装置では、請求項１〜３のいずれかの構成及び効果に加え、前記金属膜がＡｇ、Ａｕ、Ａｌからなるため、安定かつ高効率に表面プラズモンを発生でき、その結果、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができる。
【００４０】
請求項５に係る光情報記録再生装置では、記録媒体に近接して保持した光学ヘッド装置より発生する近接場光により所望の情報を前記記録媒体に記録または再生する光情報記録再生装置において、前記光学ヘッド装置に、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置を用いたことにより、光利用効率が高く、良好な記録マークの形成ができ、高Ｓ／Ｎ比での信号の再生が可能になる。
また、請求項６に係る光情報記録装置では、請求項５の構成に加え、光源として、半導体レーザーを用いることにより、偏光子等を用いることなく、直線偏光を出射することが可能であるため、安価に、微細な記録マークを高密度、高効率かつ安定に記録・再生することができる。
【００４１】
請求項７に係る光情報記録再生装置では、請求項５または６の構成に加え、前記光学ヘッド装置に設けた金属膜に入射する光の偏光方向が、該金属膜に垂直であることにより、高効率にプラズモンを発生可能であり、高効率かつ安定に近接場光を発生させることができ、光利用効率が高く、良好な記録マークの形成ができ、高Ｓ／Ｎ比での信号の再生が可能になる。
また、請求項８に係る光情報記録再生装置では、請求項５，６または７の構成に加え、前記記録媒体の基板がプラスチックまたは高分子化合物からなることにより、大量生産可能であり、より安価に光情報記録装置を構成することが可能になる。
【００４２】
請求項９に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜８のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の記録層に、ＡｇＩｎＳｂＴｅからなる記録層を用いたことにより、良好な微小記録マークを安定に形成することが可能になる。
また、請求項１０に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜９のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の最表面に、ダイヤモンドライクカーボンが形成されていることにより、表面の磨耗に強く高信頼性で情報の記録・再生を行うことが可能になる。
さらに請求項１１に係る光情報記録再生装置では、請求項５〜１０のいずれかの構成に加え、前記記録媒体の最表面にＳｉＮが形成されていることにより、表面の磨耗に強く高信頼性で情報の記録・再生を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。
【図２】図１に示す光学ヘッド装置の金属膜に形成される微細構造の配置例を示す図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す光学ヘッド装置の斜視図である。
【図４】本発明の一実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す光学情報記録再生装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１１，３１：基板
１２，３２：金属膜
１３，３３：周期的な微細構造
４１：レーザー光源
４２，４２’：光学ヘッド装置
４３：ホルダ
４４：保護層
４５：記録層
４６：下地層
４７：記録媒体
４８：対物レンズ
４９：結像レンズ
５０：光検出器
５１：光検出器
５２：ミラー
Claims (11)
- 光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、金属膜上に周期的な微細構造を持つことを特徴とする光学ヘッド装置。
- 請求項１記載の光学ヘッド装置において、
光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造がプラズモンの集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋ、プラズモンの入射方向と原点とｎ番目の微細構造のなす角をαｎとしたとき、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする光学ヘッド装置。 - 請求項２記載の光学ヘッド装置において、
光学的に平坦な基板に形成された平面に金属膜を有し、前記平面と該平面に入射する光軸とのなす角度が、前記金属膜に表面プラズモンの励起される角度であり、前記金属膜上に周期的な微細構造を持ち、この周期構造が集光点を原点として、入射プラズモンの波数をｋとすると、ｎ番目の微細構造が半径Ｒ上の円弧状に、
ｋＲ−ｋＲｃｏｓαｎ＝２πｎ
かつ
αｎ＜４５度
なる関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする光学ヘッド装置。 - 請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置において、
前記金属膜が、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属からなることを特徴とする光学ヘッド装置。 - 記録媒体に近接して保持した光学ヘッド装置より発生する近接場光により所望の情報を前記記録媒体に記録または再生する光情報記録再生装置において、
前記光学ヘッド装置に、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学ヘッド装置を用いたことを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５記載の光情報記録再生装置において、
光源として、半導体レーザーを用いることを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５または６記載の光情報記録再生装置において、
前記光学ヘッド装置に設けた金属膜に入射する光の偏光方向が、該金属膜に垂直であることを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５，６または７記載の光情報記録再生装置において、
前記記録媒体の基板がプラスチックまたは高分子化合物からなることを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５〜８のいずれか一つに記載の光情報記録再生装置において、
前記記録媒体の記録層に、ＡｇＩｎＳｂＴｅからなる記録層を用いたことを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５〜９のいずれか一つに記載の光情報記録再生装置において、
前記記録媒体の最表面に、ダイヤモンドライクカーボンが形成されていることを特徴とする光情報記録再生装置。 - 請求項５〜１０のいずれか一つに記載の光情報記録再生装置において、
前記記録媒体の最表面にＳｉＮが形成されていることを特徴とする光情報記録再生装置。
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